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催化剂影响转化率的问题探讨

来源:未知作者:丁艳 点击:所属专题: 催化剂 转化率
与催化剂有关的转化率问题一直是高考化学的热点问题. 学生对催化剂有一定的认识,催化剂有活性、选择性、稳定性,但对催化剂的理论理解不是很深刻, 转化率是指某一反应物转化的百分率或分率,转化率是针对反应物而言的,是实际工业生产过程中重点关注的问题,它直接影响工

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与催化剂有关的转化率问题一直是高考化学的热点问题. 学生对催化剂有一定的认识,催化剂有活性、选择性、稳定性,但对催化剂的理论理解不是很深刻,转化率是指某一反应物转化的百分率或分率,转化率是针对反应物而言的,是实际工业生产过程中重点关注的问题,它直接影响工厂的经济效益。

下面就高考中催化剂与转化率的问题进行一定的探讨。

使用合适的催化剂降低反应的活化能,能加快化学反应速率,那么能改变转化率吗? 人教版“选修 4”教材上有这样一句话说“催化剂不能改变平衡转化率”,这里的转化率指的是“平衡”时的转化率,并未否定催化剂不能改变转化率。

催化剂一定能提高一段时间内反应物的转化率,这个观点在教材习题中体现,在高考题中也频繁考查。

案例 1 “人教版化学选修四第 24 页的习题”:NO 和 CO 都是汽车尾气的有害物质,它们能缓慢地起反应,反应的方程式如下:2CO + 2NO催化剂影响转化率的问题探讨N2+2CO2  ΔH < 0,为了控制大气污染,提出如下建议。

A. 使用催化剂

B. 改变压强

C. 提高反应温度

你认为可行的方法是什么? 理由是什么?

分析:

很多学生会误选B,而这一题的正确答案是 A. 因为使用催化剂,能降低反应的活化能,大大加快化学反应速率. 在一定时间内处理尾气,提高了污染物NO和 CO 的转化率。给尾气加热或增加压强的方法,降低污染,实际操作是困难的、繁琐的,是不可行操作。

因此在思考问题时要结合实际解决问题,这里的转化率实际指非平衡转化率。

案例 2 “2019 江苏高考第 15 题”:在恒压、NO和 O2的起始浓度一定的条件下,催化反应相同时间,测得不同温度下 NO 转化为 NO2的转化率如图中实线所示( 图中虚线表示相同条件下NO 的平衡转化率随温度的变化) .

其中B选项: 图中X 点所示条件下,延长反应时间能提高NO 转化率,这个判断对吗?

催化剂影响转化率的问题探讨

图1

分析:

由图所示,虚线表示随着温度升高,NO的平衡转化率随温度升高而降低. 根据勒夏特列原理,推知该反应为放热反应。

由实线,可知随着温度升高,相同时间内NO 的转化率先升高后降低, 一开始温度升高,化学反应速率加快,在相同时间内NO 转化得多,NO 转化率越高,说明此时反应未达到平衡,此时为 NO 非平衡转化率; 温度继续升高,NO 转化率降低,说明温度升高,虽然速率快,但平衡发生逆向移动,导致NO 转化率降低,此时为 NO 平衡转化率。

根据上述分析,X点时,反应正在正向进行,反应还未到达平衡状态,此时为 NO 非平衡转化率,所以延长反应时间能提高 NO 的转化率。

针对以上两个案例,认识到在解决转化率问题时,当出现“一段时间”、“相同时间”等文字描述时,首先要判断该转化率是平衡转化率还是非平衡转化率。非平衡转化率归根究底就是动力学问题,即速率问题,而平衡转化率就是热力学问题,则用勒夏特列原理来进行分析。

案例3 “2018江苏高考第20 题节选”:NOx( 主要指 NO 和 NO2) 是大气主要污染物之一. 有效去除大气中的NOx是环境保护的重要课题. 其中第( 4) ②问: 在有氧条件下,新型催化剂M能催化 NH3与 NOx反应成 N2将一定比例的O2、NH3和 NOx的混合气体,匀速通入装有催化剂M 的反应器中反应如图 2 所示.

催化剂影响转化率的问题探讨

图 2

( 1) 反应相同时间NOx的去除率随反应温度的变化曲线如图 3 所示,在 50℃ ~ 250℃ 范围内随着温度的升高,NOx的去除率先迅速上升后上升缓慢的主要原因是什么?

( 2) 当反应温度高于380℃时NOx的去除率迅速下降的原因可能是什么?

催化剂影响转化率的问题探讨

图 3

分析:

( 1) 由图 2 可知在 50℃ ~ 250℃ 范围内反应相同时间,NOx去除率“先迅速上升”是受催化剂活性和温度共同影响,这叫双因并列。 当然“迅速”的主要原因是催化剂的活性增大,NOx去除率后“上升缓慢”,这时催化剂活性已比较高,几乎无变化,这里主要温度影响速率,上升比较缓慢。

( 2) 温度高于380℃时,NOx的去除率“迅速下降”,这时候很多学生会从平衡移动的角度解决问题,这就进入了一个误区。

勒夏特列原理告诉我们,移动是一小步,是微弱的。 这里强调“迅速”,因为催化剂的影响是显著的,所以应该与催化剂相关。

温度过高,催化剂活性下降,导致化学反应速率急剧下降。 当然还可能与物质的性质有关,如 NH3与 O2反应生成了 NO,导致NOx去除率下降。

这个案例主要体现温度改变催化剂,从而改变化学反应速率,进而影响转化率。

与催化剂相关的转化率问题仍然是新高考中的热点问题.在解决这一类题目时,审题是关键,注意“一段时间”、“相同时间”、“迅速”、“缓慢”等文字描述,需要对非平衡转化率与平衡转化率进行判断。高考题的取材来源于真实的工业生产情境,更多地考查非平衡转化率问题,就是动力学问题,即化学反应速率问题。当然要具体情况具体分析,催化剂是大多工业生产的必备原料,它直接影响原料的转 化 率 和 产 品 的 产 率,影 响 工 厂 的 经 济 效益,催化剂的研究具有深远的意义。要抓住高考热点,深刻理解有关催化剂理论,总结解题规律,精炼语言描述,提高得分率。

(责任编辑:化学自习室)
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